ПЛЕНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДВУХРЯДНОЙ СИСТЕМОЙ
advertisement
Восточно-Европейский журнал передовых технологий 3/10 ( 57 ) 2012 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ГАЗОТУРБОСТРОЕНИИ УДК 621.45.038 Наведено результати експериментального дослідження та CFD моделювання плівкового охолодження плоскої поверхні двохрядною системою похилих отворів, які розташовано у сферичних заглибинах Ключові слова: плівкове охолодження, отвори в сферичних заглибинах ПЛЕНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДВУХРЯДНОЙ СИСТЕМОЙ ОТВЕРСТИЙ В СФЕРИЧЕСКИХ УГЛУБЛЕНИЯХ А.А. Халатов Доктор технических наук, профессор, член-корресподент НАН Украины, заведующий отделом* Контактный тел.: (044) 456-93-02 Е-mail: artem.khalatov@vortex.org.ua И.И. Борисов Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник* Контактный тел.: (044) 453-28-53 Е-mail: borisov@vortex.org.ua Представлены результаты экспериментального исследования и CFD моделирования пленочного охлаждения плоской поверхности двухрядной системой наклонных отверстий, расположенных в сферических углублениях Ключевые слова: пленочное охлаждение, отверстия в сферических углублениях А.С. Коваленко Кандидат технических наук, старший научный сотрудник* Контактный тел.: (044) 453-28-53 Е-mail: kas@vortex.org.ua Ю.Я. Дашевский Кандидат технических наук, заведующий сектором Отдел турбин ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект» пр. Октябрьский, 42-а, г. Николаев, Украина, 54018 Контактный тел.: (0512) 49 76 53 Е-mail: spe@mashproekt.nikolaev.ua С.Д. Северин Кандидат технических наук, старший научный сотрудник* Контактный тел.: (044) 453-28-53 Е-mail: ssd@vortex.org.ua С.В. Шевцов The results of experiments and CFD modelling are given on a film cooling over a flat plate by means of two rows of inclined holes located in spherical dimples Key words: film cooling, holes in spherical dimples Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник* Контактный тел.: (044) 453-28-53 Е-mail: serge@vortex.org.ua *Отдел высокотемпературной термогазодинамики Институт технической теплофизики НАН Украины ул. Желябова, 2а, г. Киев, Украина, 03057 М.В. Безлюдная Аспирант Кафедра физики энергетических систем Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Физико-технический институт пр. Победы, 37, Киев, Украина, 03056 Контактный тел.: 068-493-15-26 Е-mail: bezludnaya@gmail.com Введение При модификации систем пленочного охлаждения в виде рядов наклонных отверстий старают- 4 ся снизить влияние вторичных структур («kidney vortex»), максимально распределить охладитель в поперечном направлении, уменьшить скорость его выхода на поверхность и перемешивание с основным Современные технологии в газотурбостроении потоком. Для этого предлагаются различные сподух подается в рабочий участок через отверстия собы: расположение отверстий под сложным углом вдува от компрессора через фильтр–регулятор, рек основному потоку, изготовление отверстий прогулирующий вентиль, ротаметр, электронагреватель и ресивер. Электрический нагреватель запитан с пофилированной формы, парных отверстий, дополнительных анти–вихревых отверстий и др. Наилучший мощью автотрансформатора и выпрямителя. результат по эффективности пленочного охлаждения Рабочий участок представляет собой плоский демонстрируют фасонные отверстия с поперечным канал, поперечное сечение которого идентично сечерасширением сечения в области выхода охладителя нию канала за соплом Витошинского (294x34 мм 2). Нижняя стенка рабочего участка включает пластина поверхность («веерные», «консольные» [1–3]). Однако выполнение таких отверстий в стенке лопатки ну из оргстекла с отверстиями вдува и адиабатную газовой турбины связано с технологическими трудпластину из асбоцемента (λ = 0,17 Вт/м⋅К), в которую ностями, поэтому в результате дальнейшего поиска вмонтирован ряд хромель–алюмелевых термопар, был найден ряд более простых технических решений, расположенных вдоль осевой линии с постоянным а именно – выпуск охладителя в поверхностные углупо длине шагом (10 мм). В установке предусмотрена бления различной формы – «траншеи», «кратеры» [4] возможность перемещения пластины в поперечном или сферические сегменты [5]. В последнем случае направлении, что позволяет определять пространственное распределение температуры адиабатной попри выполнении некоторых режимных и геометрических условий возникает нестационарный («смерчеверхности. образный») вихрь, который спо с о б с т вуе т о сц и л л я ц и и потока в угловом направлении и растеканию охладителя внутри углубления [6]. Это позвол яет обеспечить более равномерное покрытие ох ла ж даемой поверхности, снизить потребный расход охладителя и ликвидировать отрыв потока при больших параметрах вдува. Концептуальные исследования однорядной системы наклонных о т в ер с т и й в с ф ери че ск и х углублениях показали, что при малых (m≈0,5) параметрах вдува эффективность осциллирующего пленочноРис. 1. Схема пленочного охлаждения с помощью двухрядной системы го охлаждения в 1,5…2 раза цилиндрических отверстий: а – традиционная схема, б – отверстия в сферических выше, чем для стандартной углублениях конфиг у ра ции п леночного ох ла ждения (один ряд наклонных отверстий), причем максимальный эффект Эксперименты выполнены с двухрядной систенаблюдается при x/d=10...15 [5]. мой традиционных наклонных отверстий и системой Целью настоящей работы является эксперименотверстий в сферических углублениях (рис. 1). Диатальное исследование и CFD моделирование эфметр углубления D составлял 8 мм, высота h - 4 мм фективности пленочного охлаждения с выпуском (h/D = 0,5), диаметр отверстий d - 3,2 мм, поперечохладителя из наклонного отверстия в сферическое ный шаг углублений (отверстий) t - 16 мм (t/d = 5), а углубление. Рассматрива лась двухрядна я систепродольный t1 - 8 мм (t1/d = 2,5). Нижняя линия прома наклонных отверстий, расположенных перед екции отверстия на плоскость XY проходила через адиабатной пластиной. Исследование выполнено край углубления, угол α наклона осей отверстий к в широком диапазоне изменения параметра вдува поверхности пластины был постоянным и составлял 300. Расстояние «х» отсчитывалось от «среза» углу(m= 0,5…2,5), при безградиентном обтекании плоской поверхности внешним потоком. бления второго ряда (для конфигурации с углублениями), либо от среза отверстия (для конфигурации отверстий без углублений). Экспериментальная установка и методика проведения Для исследования эффективности пленочного измерений охлаждения выбрано обратное направление теплового потока: основной поток – холодный, а охладитель – горячий. В экспериментах измерялись скоростной Экспериментальная установка представляет сонапор основного потока, статическое давление на бой аэродинамическую трубу открытого типа. Основверхней стенке канала, температура основного поной поток воздуха от вентилятора ВВД–5 подается в рабочий участок через поворотный затвор, ресивер тока, температура вдуваемого потока, расход вдувасо спрямляющей сеткой и сопло Витошинского со емого потока, температура адиабатной поверхности в различных точках по длине пластины. Скоростной степенью сужения 12:1. Вдуваемый (вторичный) воз- 5 Восточно-Европейский журнал передовых технологий напор в основном потоке определялся с помощью трубки Пито-Прандтля и дифманометров. Для измерения статического давления применялись водяные дифманометры. Параметры экспериментов были следующими: скорость основного потока составляла 33…34 м/с, она выбиралась из расчета гарантированного обеспечения режима осциллирующего вихря в сферическом углублении [6]. Температура основного потока воздуха изменялась от 15 до 20 0 С, вдуваемого – от 50 до 70 0 С; отношение плотностей вдуваемого и основного потока составляло 0,85…0,9; параметр вдува m изменялся от 0,5 до 2,5; число Рейнольдса Red по эквивалентному диаметру канала и скорости основного потока было постоянным и составляло 1,25⋅10 5 . Тестовые эксперименты по измерению профиля скорости основного потока в пристеночном слое перед отверстиями подачи вторичного воздуха показали, что для данных условий пограничный слой близок к турбулентному (значение формпараметра пограничного слоя Н составляло величину около 1,4). CFD моделирование CFD – моделирование плёночного ох ла ждения плоской поверхности с подачей вторичного воздуха в сферические углубления проводилось с использованием коммерческого пакета ANSYS CFX 14. Геометрическа я 3D модель была выполнена в ANSYS De-sign Manager, причём все геометрические параметры исследованной модели соответствова ли размерам рабочего у частка эксперимента льной установки. Рис. 2. Расчетная сетка Была использована неструктурированная комбинированная расчетная сетка, построенная при помощи сеточного генератора ANSYS CFX Mesh 14 (рис. 2). Она представляет собой комбинацию тетраэдральных элементов в области основного потока с призматическими элементами в областях сгущения расчётной сетки возле твёрдых стенок, ограничивающих каналы расчётной модели. Количество тетраэдральных элементов составляло 812730, призматических элементов – 396330, количество узлов сетки – 353716, количество ячеек в области сгущения равнялось 15, всего было 1209060 элементов. Расчеты 6 3/10 ( 57 ) 2012 проводились с использованием нескольких моделей турбулентности: двух моделей k-ε группы (классическая k-ε модель и RNG k-ε модель), трех моделей k-ω группы (классическая k-ω модель, SST модель Ментера, и BSL модель базовой линии), а также более простой модели EVTE (Eddy Viscosity Transport Equation - уравнение переноса турбулентной вязкости) с одним дифференциальным уравнением в частных производных. Результаты экспериментов и сравнение с CFD моделированием На рис. 3 показано продольное распределение средней по ширине адиабатической пластины эффективности пленочного охлаждения для двухрядной системы традиционных наклонных отверстий и отверстий в углублениях. Как видно из рисунка, эффективность охлаждения для схемы с отверстиями в углублениях существенно (при больших параметрах вдува на начальном участке в 2 раза) превышает эффективность для схемы наклонных отверстий без углублений. По-видимому, основной причиной увеличения эффективности является то, что сразу после выхода из отверстия вторичная струя «размывается», поперечное распределение охладителя в углублении снижает его скорость, и даже при больших параметрах вдува не происходит отрыва потока от поверхности. Рис. 3. Средняя по ширине эффективность пленочного охлаждения для двухрядной системы отверстий. Закрытые символы – система наклонных отверстий; открытые символы – наклонные отверстия в сферических углублениях Кроме того, для системы отверстий в углублениях поперечное распределение эффективности охлаждения оказалось значительно более равномерным, особенно на начальном участке. Это подтверждает тот факт, что в сферическом углублении происходит распределение охладителя по ширине осциллирующим вихрем, что обеспечивает лучшее покрытие поверхности. Современные технологии в газотурбостроении Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными по эффективности пленочного охлаждения для значения поперечной координаты z = 0 (см. рис. 1) при значении параметра вдува m = 1 и среднее по ширине при m = 2 показано на рис. 4 и 5. Сравнение экспериментальных данных по эффективности охлаждения для системы отверстий в углублениях и без них показало (рис. 6), что наибольший эффект (порядка 2) достигается на начальном участке при m > 1,5; при дальнейшем увеличении продольной координаты величина отношения ηл/ηотв изменяется слабо и при m>1,5 составляет 1,3…1,6. На рис. 7 показано сравнение исследованных вариантов пленочного охлаждения с отверстиями в сферических углублениях с некоторыми перспективными способами пленочного охлаждения. Как видно из рисунка, двухрядная схема по величине эффективности близка к профилированным отверстиям «веерной» формы – наилучшей на сегодня схеме пленочного охлаждения с помощью наклонных отверстий. Рис. 4. Cравнение расчетных и экспериментальных данных по эффективности охлаждения при m = 1 для линии, проходящей через центр отверстия второго ряда (z = 0) Рис. 6. Отношение эффективности пленочного охлаждения для отверстий в сферических углублениях и без них Рис. 5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных: средняя по ширине пластины эффективность охлаждения Из рис. 4 и 5 видно, что наилучшее совпадение с результатами экспериментов обеспечивают классическая k-ω –модель и SST – модель турбулентности Ментера. В диапазоне x/d = 2,5…25 максимальное отклонение расчетных значений эффективности плёночного охлаждения от экспериментальных данных для этих двух моделей турбулентности не превышает 7…10%. По-видимому, согласование расчетов по SST– модели с экспериментом обусловлено тем, что данная модель учитывает перенос турбулентных напряжений трения и, как показывает опыт, обеспечивает более высокую точность при моделировании струйных и отрывных течений. Для всех выполненных расчетов пристеночное сгущение расчётной сетки обеспечивало значение у+ < 2. Рис. 7. Средняя по ширине эффективность пленочного охлаждения, m = 1,5. Символы – данные настоящей работы для системы отверстий в сферических углублениях. Линии: 1 – отверстия «веерной» формы с расширением в вертикальной плоскости [2]. 2 – «траншейная» конфигурация цилиндрических отверстий, относительный поперечный шаг t/d = 3 [7]; 3 – ряд парных отверстий, соответственно поперечный угол β = 350 [7]. 7 Восточно-Европейский журнал передовых технологий 3/10 ( 57 ) 2012 Выводы В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что эффективность пленочного охлаждения двухрядной системы отверстий в сферических углублениях существенно (при больших параметрах вдува на начальном участке в 2 раза) превышает эффективность традиционной схемы охлаждения с помощью системы цилиндрических отверстий без углублений. Исследованная схема пленочного охлаждения не уступает лучшим схемам с профилированными отверстиями, но характеризуется технологическими преимуществами. Ее можно рекомендовать для использования в практике пленочного охлаждения лопаток газовых турбин и других приложений. Результаты численного моделирования осциллирующего плёночного охлаждения хорошо согласуются с экспериментальными данными, как по локальным, так и по средним значениям адиабатной эффективности охлаждения. Наилучшее совпадение с результатами экспериментов обеспечивают классическая k-ω –модель и SST – модель турбулентности Ментера. Полученные результаты подтверждают возможность получения адекватных результатов при использовании коммерческого пакета ANSYS CFX для моделирования задач пленочного охлаждения. Литература 1. Goldstein R.J. Effects of hole geometry and density on three-dimensional film cooling / R.J.Goldstein, E.R.G.Eckert // Int. J. of Heat and Mass Transfer. – 1974. – v.17, №5. – P.595–607. 2. Colban W.F. A film-cooling correlation for shaped holes on a flat-plate surface /W.F. Colban, K.A.Thole, D.A. Bogard // ASME Paper GT2008–50121. – 15 p. 3. Leedom D.H. Large eddy simulations of film cooling flow fields from cylindrical and shaped holes/ D.H. Leedom, S. Acharya // ASME Paper GT2008–51009. – 13 p. 4. Dorrington J.R. Film effectiveness performance for coolant holes embedded in various shallow trench and crater depressions / J.R. Dorrington, D.G. Bogard, R.S. Bunker // ASME Paper GT2007–27992.– 10 p. 5. Особенности тепловой завесы вдувом воздуха из сферической выемки / А.В. Щукин, И.Ю. Буланов, А.В. Ильинков, А.П. Козлов, А.А. Халатов // Изв. высш. учебн. заведений.– Сер. «Авиационная техника».– 2004.– № 4.– С. 28-31. 6. Коваленко Г.В. Границы режимов течения в углублениях на плоской поверхности, имеющих форму сферических сегментов / Г.В. Коваленко, А.А. Халатов // Прикладная гидродинамика.–2008.–10 (82), №1.– С. 23–32. 7. Kusterer K. Film cooling effectiveness comparison between shaped- and double jet film cooling holes in a row arrangement / K. Kusterer, A. Elyas, D. Bohn, T. Sugimoto, R. Tanaka, M.Kazari // ASME paper GT2010-22604. – 13 p. 8
